用于粘液生理特性原位传感的无线微型生物传感器设计

生物粘液的生理特性是监测人类健康状况和帮助了解疾病发展的重要生理指标，因为粘液特性（例如，粘度）与炎症和其他疾病高度相关。然而，使用纯医学成像来感知粘液粘度目前仍然具有挑战性。使用柔性内窥镜和胶囊内窥镜机器人在体外收集和分析粘液样本方面非常具有挑战性，因为它们难以进入非常狭窄、曲折和狭小的空间，并且样本可能无法反映在人体内的真实粘液特性。

针对以上问题，美国范德比尔特大学（Vanderbilt University）董晓光教授领导的研究小组提出了一种新方法（图1），可以通过由磁场驱动并由医学成像跟踪的无线微型传感器来原位传感粘液粘度。这些微型粘度传感器可以通过控制磁场驱动毫米级软体攀爬机器人递送到指定区域。由于微型软体机器人可以进入有限且狭窄的空间，并将传感器可靠地部署在软组织表面上，因此可以在软生物组织上递送多个传感器来分布式传感生物流体粘度。因此，所提出的微创机器人递送和粘度传感方法为传感体内深处的生物流体特性以用于未来的疾病监测和早期诊断功能铺平了道路。相关研究成果以“Sensing Mucus Physiological Property In Situ by Wireless Millimeter-Scale Soft Robots”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上[1]。

图1 （A）磁场驱动的微型生物粘液粘度传感器系统概述；（B）软体机器人及无线粘度传感器；（C）粘度传感器的递送过程；（D）多个粘度传感器的工作示意图；（E）粘度传感器在消化道组织粘液上的图片。  

灵活的毫米级软体攀爬机器人

为了递送微型传感器，该团队开发了柔性的杆状软体机器人（图2），它可以在粘液覆盖的组织上运动，进而使用所携带的悬臂递送梁递送粘度传感器。在三维外部磁场的驱动下，机器人可以在任意方向弯曲，机器人的攀爬运动则基于该团队之前报道的剥离和装载机制[2]。机器人的双脚依靠生物粘附作用而粘附在组织表面。微型传感器可以粘附在组织表面，然后通过一种可控的机械配合方式来脱离软体机器人，这种新颖的递送机制允许通过以微创方式控制毫米级软体攀爬机器人来递送无线微型传感器。

图2 控制机器人的攀爬运动以及递送粘度传感器：（A）软体攀爬机器人在软组织上的全向可操纵性；（B）剥离和加载机制示意图；（C）机器人在猪结肠组织上的攀爬运动；（D）基于软体机器人的传感器递送过程。  

无线磁场驱动液体粘度传感器的机理

这种新型无线微型传感器可以感测消化道组织器官深处的粘液特性。图3显示了粘度传感器的理论推导、校准方法和传感过程。传感器锚定在粘液层上后，磁性旋转器部分将接触粘液层。磁性旋转器由磁环和磁盘组成，借助毛细管力被粘液润湿。液体的粘滞系数可以进而通过观测磁盘和外加磁场之间的偏转角来获得。在人体内，可以通过X射线成像进行离体可视化，进而在猪结肠组织的粘液中（图4）测试传感器。粘液粘度传感结果已得到其他先进测量工具的进一步验证。

图3 磁场驱动粘度传感器的粘度传感特性：（A）将粘度传感器固定在猪结肠组织粘液层上的实验图像；（B）施加在传感器磁性旋转器上的刚体扭矩和力的图示；（C）传感器在不同频率的旋转外部磁场驱动的蜂蜜水混合物中旋转的图像；（D）粘度传感过程的磁矩和外部磁场的方向；（E）用于粘度传感过程的磁场和磁矩之间的角度差的正弦；（F）不同剪切速率下垂直于传感器探头磁矩的外部磁场分量的校准曲线；（G）不同粘度的蜂蜜水混合物的校准曲线的斜率；（H）在不同粘度的蜂蜜-水混合物中预测粘度作为测量粘度的函数。

 

图4 离体猪组织粘液粘度检测和X射线引导下的机器人运动：（A）传感器信号输出作为不同水-粘蛋白比率的粘液剪切速率的函数；（B）使用磁性粘度传感器预测的粘液粘度和使用商用粘度计测量的粘度作为剪切速率的函数；（C）预测的随时间变化的粘液粘度作为时间的函数；（D）部署在猪结肠组织顶部和垂直表面上的两个传感器的粘度传感过程的图像；预测的粘液粘度作为传感器 1（E）和传感器2（F）剪切速率的函数；（G）机器人攀爬猪结肠组织和传感器部署过程的连续X射线医学图像。（i）攀爬运动；（ii）传感器负载；（iii、iv）传感器分离；（H）使用所部署的粘度传感器进行粘度传感过程的连续X射线医学图像。  

与其他粘度传感器相比，以上无线微型粘度传感器可以以微创的方式部署在生物组织的目标位置，并具有相对较长的停留时间，这有希望用于人体内的应用。相比之下，大多数基于压电振动器的粘度传感器不能无线驱动，无法用于体内长期监测。其他基于光学或毛细管效应的粘度传感器分别依赖于复杂的光控制单元和微流控通道，这些仅在体外应用中得到证明，限制了它们在体内环境中的应用。除此之外，磁性纳米线已被证明可以通过结合体外光学成像来感知粘液粘度，但它缺乏在体内应用中长期保留在生物组织上的能力。

该团队未来还将在猪器官中对机器人和粘度传感器进行体内测试，以进一步验证递送和传感机制的有效性。这些软体攀爬机器人的攀爬能力允许将粘度传感器递送到胃肠道中难以到达的位置，从而能够将传感器精确地定向递送到不同的胃肠道位置，从而通过递送多个传感器来构建传感器网络。传感器的磁场驱动和基于医学成像的运动跟踪允许在身体深处进行传感。此外，虽然作者在这项工作中演示了粘度传感器的递送，但所提出的传感器递送机制也可用于递送其他无线传感器来感测温度、pH值和其他生理特性。该工作可以启发其他由磁场驱动的软微型机器人和其他不受束缚的软体机器人，以便在有限的环境中有针对性地交付多功能传感器以构建传感器网络。因此，所提出的方法为长期、连续监测和微创跟踪生理特性铺平了道路，以帮助了解疾病发展并提供早期诊断。

审核编辑：刘清